正交頻分多址系統動態資源分配算法改進

周　有, 王亦凡

(1.西安郵電大學 自動化學院， 陜西 西安 710121；　2.西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

正交頻分多址系統動態資源分配算法改進

周有1, 王亦凡2

(1.西安郵電大學 自動化學院， 陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

摘要:為提高正交頻分多址系統中資源分配的公平性,并降低運算復雜度，給出一種自適應線性資源分配算法。根據信道增益計算各用戶所需要的載波數量，依據載波數量分配子載波，同時用功率均等策略為用戶分配功率。仿真實驗結果顯示，所給算法相比Linear算法和Shen算法，累積分布函數曲線更接近標準公平曲線，并且復雜度更低，可有效提高正交頻分多址系統的數據傳輸性能。

關鍵詞:正交頻分多址；資源分配；公平性；功率均等

正交頻分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)技術是下一代通信網的關鍵技術，OFDMA的資源分配直接影響網絡中節點的容量和用戶的業務速率[1-3]。

在多種OFDMA資源分配算法中，容量最大化算法[4]主張每一時刻都將載波資源分配給信道狀態最佳的用戶，但在多用戶狀態下，單一子載波不能同時被多個用戶使用，對一個用戶的子載波資源分配將影響其他用戶。另一種容量最大化算法[5]在發射功率受限情況下，能將子載波分配給信道增益最大的用戶，以提高數據傳輸速率，但公平性較差。Shen算法[6]是一種基于公平性的速率自適應算法，利用比例因子為用戶分配載波，可提高公平性，但由于采用非線性注水方案分配功率，使得運算復雜度較高。Linear算法[7]采用拉格朗日極值定理求解子載波和功率分配的最優解，可獲得較高的系統容量，但公平性較差。

本文擬在OFDMA下行鏈路數學模型的基礎上，根據信道狀態信息(ChannelStateInformation，CSI)，計算每個用戶所需的載波數量，并采用比例公平算法[8]為每個用戶分配子載波，最后用功率均等策略和線性注水定理[9]為用戶分配功率，得出一種自適應線性資源分配算法(AdaptiveLinearResourceAllocation，ALRA)，并使用仿真軟件將其與Linear算法和Shen算法進行對比分析。

1系統模型

在OFDMA通信系統中，假設下行鏈路的子載波數為N，用戶數為K，且每個用戶都經歷各自不同的衰落，系統總功率記為P,功率譜密度為N0，系統帶寬為B。信道噪聲為高斯白噪聲，方差為

用戶k(1≤k≤K)在子載波n(1≤n≤N)上的CSI表示為gk,n，其對應子信道的信噪比即為

用戶 在子載波 上的信噪比為

γk,n=pk,nhk,n。

方形M-QAM格雷比特編碼的誤碼率(Bit Error Rate，BER)表示為[10]

式中分配到子載波的比特數

而有效信噪比

信噪比差額常量

資源分配的目標函數可以表示為

其中ck,n表示子載波分配符，當ck,n=1時，表示子載波n分配給用戶k。

約束條件為

ck,n∈{0,1},pk,n≥0,

Ri∶Rj=φi∶φj

(i,j∈{1,2,…,K},i≠j)。

其中Rk為用戶k的傳輸速率，定義為

而φk(k=1,2,…,K)為歸一化比率，滿足

2ALRA算法

ALRA算法分為兩個階段：子載波分配和功率分配。子載波分配階段，依據CSI計算出每個用戶所需要的載波數量，并將子載波分配給用戶，再利用比例公平算法對剩余載波進行分配；功率分配階段，先利用功率均等策略為用戶分配功率，再將這些功率通過線性注水法分配給載波。算法流程如圖2所示。

圖1　算法流程

2.1子載波分配

2.1.1確定子載波集數

假設用戶k在第n個子載波上的CSI為gk,n，記平均CSI為

利用自適應載波數計算公式

計算每個用戶所需要的載波集數,剩余子載波數記為

可見，對于CSI較好的用戶，給其限定少量的載波集數，而給CSI較差的用戶初始較多的載波集數，這就能充分利用信道增益，滿足各用戶對于速率的需求，進一步均衡子載波分配。

2.1.2子載波及剩余子載波分配

(1) 初始化參數，即令

ck,n=0,Rk,n=0,

p=P/N，N={1，2，…,N}。

(2) 對用戶k進行具體子載波分配,即取

n=arg max|Hk,n|,ck,n=1 。

限定子載波集數，即令

Nk=Nk-1,N=N{n}。

更新傳輸速率,即令

n=arg max|Hk,n|,ck,n=1,

Nk=Nk-1,N=N{n},

若Nk=0，則用戶k分配完畢，K=K{k} 。

n=arg max|Hk,n|,

更新傳輸速率，即令

K=K{k}。

2.2功率分配

2.2.1用戶功率分配

各用戶均等分配總功率

P1∶P2∶…∶PK=1∶1∶…∶1,

則Pk即可表示為

Pk=P/K。

利用上述線性等式將減少功率分配算法的運算量，同時對比例性要求的降低預期也可獲得較高的系統容量。

2.2.2子載波功率分配

對每個用戶獲得的子載波進行遞增排序，即

然后，采用線性注水原理進行子載波功率分配，即

3仿真實驗

對OFDMA系統資源動態分配過程利用Matlab進行仿真驗證，與傳統的Linear算法、Shen算法進行比較。仿真采用6徑指數功率衰減的頻率選擇性瑞利信道模型，設置參數見表1。

表1　仿真模型參數設置

3.1系統容量仿真

ALRA算法與Shen算法和Linear算法的系統容量對比如圖2所示。

圖2　系統容量對比

由圖2可見，ALRA算法獲得的系統容量明顯高于另兩種算法。這是因為ALRA算法在考慮載波分配平衡的基礎上，用均等分配法進行功率分配，取代傳統算法中按比例因子分配的原則，可有效提升信道狀況較差用戶的數據傳輸速率，從而提高總的系統容量。

3.2算法復雜度仿真

以平均CPU執行時間對算法的復雜度進行分析，ALRA算法與另兩種算法的算法復雜度對比如圖3所示。

圖3　平均CPU計算時間對比

圖3顯示，ALRA算法較另兩種算法，能以更短的時間完成算法運算，效率更高。在用戶數為4～16的情況下，ALRA算法相比Shen算法和Linear算法，CPU執行運算時間更短。因為ALRL算法采用更為直接的Pk=P/K 功率均等分配算法，取代已有算法的非線性冗余分配步驟，所以運算復雜度更低。

3.3公平性CDF仿真

各算法的累積分布函數(CumulativeDistributionFunction，CDF)公平性能對比如圖4所示。函數曲線在標準參照線左側時，對應算法不是公平分配算法，而在參照線右側時，算法可以視為公平性算法。

圖4　CDF曲線公平性對比

圖4顯示，Linear算法和ALRA算法對應曲線在標準曲線右側，說明它們都是公平的分配算法，而Shen算法對應曲線在標準參照線左側，不滿足公平準則。這是因為，Shen算法采用的是最大載干比算法，并未考慮信道條件不同帶來的分配不均問題；Linear算法和ALRA算法同時兼顧了用戶公平性準則和容量要求，在獲得較好的系統容量的同時也具備了較好的公平性。ALRA算法在載波分配的初始階段，首先根據CSI計算出各用戶所需的實際載波數量，并按該數量分配子載波，使得信道狀況差的用戶也可以獲取到載波資源，公平性更好。

4結語

為提高OFDMA系統資源分配性能，利用ALRA算法，根據信道增益計算每個用戶實際需要的載波數量并進行分配，可提高用戶間的公平性，并通過功率均等策略分配功率，減小運算量。仿真結果表明，ALRA算法在用戶公平性方面優于Linear算法和Shen算法，且復雜度更低，在OFDMA系統數據傳輸業務中具有更好的實用性。

參考文獻

[1]CHUNGYH,CHANGCJ.AbalancedresourceschedulingschemewithadaptiveprioritythresholdsforOFDMAdownlinksystems[J/OL].IEEETransactionsonVehicularTechnology, 2012, 61(3):1276-1286[2015-03-16].http://dx.doi.org/10.1109/TVT.2012.2186832.

[2]LEEKC,WANGSH,LICP,etal.AdaptiveresourceallocationalgorithmbasedoncrossentropymethodforOFDMAsystems[J/OL].IEEETransactionsonBroadcasting, 2014, 60(3):524-531[2015-03-23].http://dx.doi.org/10.1109/TBC.2014.2339551.

[3]陳吉學, 李白萍, 田磊. 無線通信OFDM(正交頻分復用)技術研究[J/OL]. 西安郵電大學學報, 2005, 10(1):28-30[2015-04-16].http://mall.cnki.net/magazine/article/XAYD200501011.htm.DOI:10.3969/j.issn.1007-3264.2005.01.007.

[4]ARANITIG,CONDOLUCIM,IERAA,etal.Alow-complexityresourceallocationalgorithmformulticastservicedeliveryinOFDMAnetworks[J/OL].IEEETransactionsonBroadcasting, 2014, 60(2):358-369[2015-04-23].http://dx.doi.org/10.1109/TBC.2014.2321678.

[5]RHEEW,CIOFFIJM.IncreaseincapacityofmultiuserOFDMsystemusingdynamicsubchannelallocation[C/OL]//VehicularTechnologyConferenceProceedings, 2000.VTC2000-SpringTokyo. 2000IEEE51st(Volume:2 ).Tokyo:IEEEPress, 2000:1085-1089[2015-05-03].http://dx.doi.org/10.1109/VETECS.2000.851292.DOI:10.1109/VETECS.2000.851292.

[6]SHENZ,ANDREWSJG,EVANSBL,etal.AdaptiveresourceallocationinmultiuserOFDMsystemswithproportionalrateconstraints[J/OL].IEEETransactionsonWirelessCommunications, 2005, 4(6):2726-2736[2015-05-12].http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2005.858010.

[7]WONGIC,SHENZ,EVANSBL,etal.AlowcomplexityalgorithmforproportionalresourceallocationinOFDMAsystems[C/OL]//Proceedingsofthe2004IEEEWorkshoponSignalProcessingSystems.Austin:IEEEPress, 2004:1-6[2015-05-13].http://dx.doi.org/10.1109%2fSIPS.2004.1363015.

[8]CHANGZ,RISTANIEMIT,NIUZ.RadioresourceallocationforcollaborativeOFDMArelaynetworkswithimperfectchannelstateinformation[J/OL].IEEETransactionsonWirelessCommunications, 2014, 13(5):2824-2835[2015-06-11].http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2014.040714.131695.

[9]張冬梅, 徐友云, 蔡躍明.OFDMA系統中線性注水功率分配算法[J/OL]. 電子與信息學報, 2007, 29(6):1286-1289[2015-07-14].http://jeit.ie.ac.cn/CN/10.3724/SP.J.1146.2005.01345.

[10]ZAKHOURR,HANLYSV.BaseStationCooperationontheDownlink:LargeSystemAnalysis[J/OL].IEEETransactionsonInformationTheory, 2010, 58(4):2079-2106[2015-07-13].http://dx.doi.org/10.1109/TIT.2011.2177770.

[責任編輯:瑞金]

Animproveddynamicresourceallocationalgorithmfororthogonalfrequencydivisionmultipleaccesssystem

ZHOUYou1,WANGYifan2

(1.SchoolofAutomation,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China;2.SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:In order to improve the fairness and reduce the computation complexity of resource allocation in orthogonal frequency division multiple access system, an adaptive linear resource allocation algorithm is proposed. According to the channel gain, the algorithm calculates the number of carriers needed by each user, allocates the sub-carrier based on the carrier number, and uses power equalization strategy to allocate power for users. Simulation results show that, the cumulative distribution function curve of the proposed algorithm is more approximate to the standard curve, and its computation complexity is lower comparing with the linear algorithm and Shen algorithm. The new algorithm can effectively improve the data transmission performance of orthogonal frequency division multiple access system.

Keywords:orthogonal frequency division multiple access(OFDMA), resource allocation, fairness, balanced power

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.02.005

收稿日期：2015-10-14

基金項目：陜西省教育廳科學研究計劃資助項目(2011JK093707)

作者簡介：周有(1970-)，男，博士，副教授，從事信號分解與特征提取研究。E-mail:28918059@qq.com 王亦凡(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為移動通信技術及應用。E-mail:349586576@qq.com

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)02-0027-05